Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Mô hình phần tử hữu hạn sử dụng trở kháng để theo dõi và đánh giá hư hỏng của liên kết Bulông

Sử dụng mô hình phan tử hữu hạn dé tìm những thay đổi tín hiệu trở khángtrước và sau khi có hư hỏng trong liên kết bulông.. Từ đó, thay đổi lực kéo trong bulông đểtìm những tín hiệu trở

NGO THANH MONG

MO HÌNH PHAN TU HỮU HAN SỬ DUNG TRO KHANGDE THEO DOI VA DANH GIA HU HONG CUA LIEN

Cán bộ chấm nhận xét 1:Cán bộ chấm nhận xét 2:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tai Truong Dai học Bach Khoa, DHQG Tp HCM,ngày thang 01 năm 2014.

Thanh phan Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ g6m:

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh gia luận văn và Bộ môn quản lý chuyên

ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nêu có).

CHỦ TỊCH HỘI DONG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGÔ THANH MỘNG MSHV:11211013

Ngày, tháng, năm sinh: 30/12/1986 Nơi sinh: Tiền Giang

Chuyên ngành: Xây dựng Dân dụng và công nghiệp

I TÊN DE TAI: MÔ HÌNH PHAN TỬ HỮU HAN SỬ DỤNG TROKHANG DE THEO DOI VÀ ĐÁNH GIÁ HU HỎNG CUA LIÊN KETBULONG

Il NHIEM VU VA NOI DUNG:Mô phỏng các mau dầm nhôm trong giai đoạn không hu hỏng và có hư hỏng,

so sánh tín hiệu trở kháng g1ữa m6 phỏng va thí nghiệm.

Mô hình phân tử hữu hạn sử dụng trở kháng để theo dõi và đánh giá hư hỏngliên kết bulông Tìm những thay đổi tín hiệu trở kháng trước và sau khi có hư hỏngtrong liên kết bulông Từ những thay đổi đó đánh giá mức độ hư hỏng trong liên kết

bulông.

II NGÀY GIAO NHIEM VU: 14/01/2013IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 22/11/2013Vv CÁN BO HUONG DAN: TS HO ĐỨC DUY

Tp HCM, ngay tháng năm 2014.

CAN BO HUONG DAN CHU NHIEM BO MON DAO TAO

(Họ tên và chữ ky) (Họ tên và chữ ký)

TS HO ĐỨC DUY

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

(Họ tên và chữ ký)

LOI CẢM ONĐâu tiên, tôi xin gửi lời tri ân sâu sac đến thay TS Hồ Đức Duy Thay luôn tậntâm trong việc hướng dân Thay luôn nhiệt tình hỗ trợ về tinh thân và kiến thứckhoa học Những kiến thức nên tang mà tôi đã được tiếp thu từ thay đã giúp cho tôi

vượt qua những khó khăn khi thực hiện luận văn nay.

Bên cạnh đó, tôi xin gửi lời cảm ơn đến nhóm học cao học khóa K2011 đã giúpđỡ và trao đổi nhiệt tình trong thời gian học tập Đặc biệt tôi xin gửi lời cảm on đếnanh Nguyễn Khắc Duy đã góp ÿ về những kiến thức chuyên môn để tôi hoàn thành

luận văn này.

Cuối cùng, tôi xin gửi lời tri ân đến gia đình Gia đình đã luôn là chỗ dựa chotôi trong những lúc khó khăn về tinh than và tài chính, luôn động viên tôi trong thời

gian thực hiện luận văn này.

Tp Hồ Chi Minh, tháng 01 năm 2014

Ngo Thanh Mộng

TOM TAT LUAN VAN THAC Si

Sử dung phầm mềm Comsol 4.0 mô phỏng các thi nghiệm được tiến hànhtrên các mẫu dầm nhôm trong giai đoạn không hư hỏng và có hư hỏng, so sánh tín

hiệu trở kháng của mô phỏng và thí nghiệm, chứng minh khả năng mô phỏng tim

hư hỏng trong kết cấu

So sánh kết quả trở kháng mô phỏng và thực nghiệm các tắm tròn mỏngbằng nhôm với tam PZT đặt tại tâm tâm va hư hỏng có khoảng cách thay đổi so vớitâm tâm tại tần số kích thích cao

Phân tích mô hình phan tử hữu han sử dụng trở kháng dé theo dõi và đánhgiá hư hỏng của liên kết bulông Hư hỏng của liên kết bulông ở nghiên cứu nay làbulông bị long được giả định băng việc thay đổi mômen xiết chặt bulông từ đó tínhlực kéo trong thân bulông ở ba cấp độ giảm mômen xiết chặt bulông là: 10%, 25%,

50%.

Sử dụng mô hình phan tử hữu hạn dé tìm những thay đổi tín hiệu trở khángtrước và sau khi có hư hỏng trong liên kết bulông Từ những thay đổi đó đánh giámức độ hư hỏng trong liên kết bulông

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan, ngoại trừ các sô liệu kêt quả tham khảo từ các công trìnhnghiên cứu khác đã ghi rõ trong luận văn, đây là công việc do cá nhân tôi thực hiện

dưới sự hướng dẫn của TS Hỗ Đức Duy Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là

trung thực và chưa được công bô ở các nghiên cứu khác.

Tác giả luận văn

Nøô Thanh Mộng

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THAC SĨ -.- c cTn 1T 11111 HH1 HH HH nu iLOI CAM ƠN 1 tt TS E111 811 n1 11 01111 n1 11tr re iiTOM TAT LUẬN VĂN THAC SI o ccccccccccscsesessescesesesesesesesesesvstsesvstevevevstevevevetees iiiLOI CAM ĐOAN nền HH TH 10 1111121101 111111 ra iv

MỤC LUC c1 SH E225 8H n1 HH1 11 111gr te Vv

DANH MỤC CAC HINH ANH oooecccccecececscsesceescseecseseecessesssecevevevsvsvsnssssssesetevens viiDANH MỤC CAC BANG BIEU o0 ccececececsesesecececeescseeseeseesseteveveeseevesesseteeenetees xviiMOT SO KÝ HIEU VIET TAT oo.cecccccccccccscsesesecesecesescsvsvevsvsvsvsvsvevsvevevevevevvevevees XViiiChương 1 GIỚI THIỆU - 1-1 SE E2351E12155112155111115111E 111111111 |1.1 DAT VAN DE 2218 aaaaA |1.2 MỤC TIỂU NGHIÊN CỨU - SE EEEEEE1112121211E1221111111 011111 111tr, 61.3 PHAM VI NGHIÊN CỨU - k1 E SE 1121111211121 812111111111 1tr 61.4 CÂU TRÚC CUA LUẬN VĂN - 212121111112 E 11 11211 1g 7Chương 2 TONG QUAN VE CÁC NGHIÊN CỨU TRƯỚC DAY 82.1 GIỚI THIỆU ¿+ +1 S1 1EE1E511211111 1121111111111 011 1E 111A 82.2 TONG QUAN TINH HINH NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHAP TROKHANG NGOÀI NUGC o.oo ccccccceccsesesescseeccescececsevsvevevevececissenavevsvacesuevsvaveveceveeen 102.3 TONG QUAN NGHIÊN CUU HU HỎNG LIÊN KET BULÔNG 182.4 TONG QUAN TINH HINH NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHAP TROKHANG TRONG NƯỚC - n2 2111111115111 15E15111155 1E EEE tre 192.5 SU THUAN LOI CUA PHƯƠNG PHAP TRO KHÁNG -css2cses¿ 20

2.6 HAN CHE VA THACH THUC HIEN TAI CUA PHUONG PHAP TROKHÁNG S1 1 1121111121811 1121110111 11t 1211 1n 1 HH tren 20Chương 3 CƠ SỞ LY THUYÊT St S111 EE5E1 515711171 E1EEEEEEEEEE Set errki 233.1 GIỚI THIỆU -.-2- 22 1S 1211111 1121111211111 1011111 11211101111 ng ri 233.2 PHƯƠNG PHAP TRO KHÁNG - - SE S11 111111211110121 81 1E tri 243.3 HOẠT DONG CUA PHƯƠNG PHAP TRO KHÁNG ccccccsce2 343.4 VAT LIEU ÁP ĐIỆN 1 s11 E1 1211111111 1012 H111 363.5 THAM SO TRONG PHƯƠNG PHAP TRO KHÁNG -ccccccccsce2 403.5.1 DIỆN TÍCH CẢM BIEN CUC BỘ - St HH2 403.5.2 PHAM VI TAN SỐ c1 2211101110 0110 H010 H 111 tt rau 413.6 CÁC PHƯƠNG PHÁP DANH GIA HU HỎNG - 5c test seexsrreở 433.7 CAU HINH CHO VIỆC THU THẬP DU LIỆU cccszcxzxzEszxzz x2 453.8 CÁCH LAY TÍN HIỆU TRO KHANG TỪ PHAN MEM COMSOL 4.0 473.9 QUAN HỆ GIỮA MOMEN XOAN VA LỰC KÉO TRONG BULÔNG 61Chương 4 CAC VI DU vioceccccccccccccccescscsesvscecevececevecevecsveveveveveveveeseeseevsnsvsesnevseseeen 654.1 GIỚI THIỆU E1 SE 1EE11511212111 1121111111111 1011101 111111 ru 654.2 MO HINH DAM DON GIẢN KHONG HU HỎNG - se ccssss2 654.3 MÔ HINH DAM BẰNG NHÔM CÓ VET NỨTT 5.52 cv teexerred 7244 MÔ HINH TAM TRÒN BẰNG NHOM VỚI KHOANG CÁCH VETNUT THAY ĐỔI c1 SE1211111211151E111Ẹ11111110 1110111 H121 01110 1à 794.5 MÔ HINH LIÊN KET BULONG TRONG CHI TIẾT NOI COT THÉP 90Chương 5 KET LUAN - S1 1 3E E1 111511111 111E111111111 1E 8101111111 ryg 1235.1 KẾT LUẬN - c2 1S SềE E1 1E E111 151811 E11 g1 0118111111 rig 1235.2 HƯỚNG PHÁT TRIEN DE TÀI 5 St SE EEEE11111111 121 11111 ttk 124TÀI LIEU THAM KHẢO 1 S113 151111151151 55 1151551551511 55 HE ghe 125

DANH MUC HINH ANH

Hình 1.1: Sup đồ tháp truyền hình cao 180 m ở Nam Định (Việt Nam 2012) 2Hình 1.2: Sup đồ cột ang ten cao 150 m ở Quảng Ninh (Việt Nam 2013) 2Hình 1.3: Sup đồ của sân bay Charles de Gaulle (Pháp 2004) -¿-2cscczxes¿ 3Hình 1.4: Sup đồ của cầu Laval (Canada 2006) . ¿2131 E2 E1 rn 3Hình 1.5: Sup đồ của cầu Mississippi River (Mỹ 2007) c sen rren 4Hình 2.1: Sun và các cộng sự (1995) [5] sử dụng phương pháp trở kháng dékiểm tra kết cầu giàn - S111 11 E11111111111512T1 8111011112111 5111 11g ta 10Hình 2.2: Theo dõi hai khung chính kết nối với thân máy bay phía sau đến

đuôi đứng cua may bay Piper Model 601P [ó6 ] 5< 22522 cssssessa 11

Hình 2.3: Một mô hình % mặt cắt cầu thép (steel bridge section) [17] 14Hình 2.4: Thí nghiệm đường ống dẫn [18] - + + t + E2 2E+E2EEEEEEEEEEEErkrkrkrees 15Hình 2.5: a) Thiết lập thí nghiệm , b) Kết quả trở khang [19] 5- 5-52 15Hình 2.6: Khả năng theo dõi quá trình bảo đưỡng kết câu bêtông [23] 16Hình 2.7 : Nghiên cứu phan lớp kết cầu composite [27] . c-cccsxccssss2 17Hình 2.8: Các thành phan hợp thành mẫu MASSpateh . - + 2 c2 x2s2x2s£: 21Hình 3.1: Mô hình 1-D tương tác co-dién giữa miếng PZT và kết cau chủ [4] 25Hình 3.2: Tóm tắt hoạt động của phương pháp trở kháng . - 2 scs c5 34Hình 3.3: Một số hình ảnh PZ/T -:-:- 2 S222+22E22E221221221221121221.1E12 t2 37Hình 3.4: Tương tác giữa điện và biến dang 2 + Set v21 EE E1 38Hình 3.5: Cấu hình thiết lập thử nghiệm sử dụng máy phân tích trở kháng

HP4194A

Hình 3.6: Cau hình thiết lập thử nghiệm sử dung máy phân tích trở kháng

i52 0 47

Hình 3.7: Quan hệ giữa moment xoắn và lực kéo trong bulông : 5: 61Hình 3.8: Chi tiết bulOng oo ccceccecceccccecesesescececsceseecevecscevesecevscsvevestevsceveveveneren 62Hình 3.9: Chi tiết ren hệ mét - S2 1 TT E121 1151511811118 12111810 tt 63Hình 4.1: Mẫu dầm nhôm thí nghiệm [24] trong phạm vi tần số từ 1-30 kHz 67Hình 4.2: Thiết lập mô hình xác định tín hiệu trở kháng của đầm nhôm 67Hình 4.3: So sánh kết quả trở kháng mô hình, thí nghiệm và tính toán dầm 1trong phạm vi tan số từ 1KHz tới 30 KHZ ¿+ tt E3 x2E£E2EEEEEEEEEEEErkrkrkrees 69Hình 4.4: So sánh kết quả trở kháng mô hình, thí nghiệm và tính toán dam 2trong phạm vi tan số từ 1KHz tới 30 KHZ ¿+ tt E3 x2E£E2EEEEEEEEEEEErkrkrkrees 70Hình 4.5: So sánh kết quả trở kháng mô hình, thí nghiệm và tính toán đầm 3trong phạm vi tan số từ 1KHz tới 30 KHZ ¿+ tt E3 x2E£E2EEEEEEEEEEEErkrkrkrees 70Hình 4.6: So sánh kết quả trở kháng mô hình, thí nghiệm và tính toán dam 4trong phạm vi tần số từ [KHz tới 30 kHz - -:- k s sS 3231323 EEEEEEEEEEErEEkrkree 7]Hình 4.7: Mô hình thí nghiệm dam nhôm có vết nứt [44] - 5s xxx 73Hình 4.8: Mô hình Comsol 4.0 dầm nhôm có vẾt nứt + + cscx + x+e£vzzzree: 74Hình 4.9: Kết quả tín hiệu trở kháng dam nhôm từ 20 kHz tới 24 kHz trong

mô hình Ansys (2005) [4⁄4] 5+ 222225222121232151212727211212121 88a 74

Hình 4.10: Kết qua tín hiệu trở kháng dâm nhôm từ 20 kHz tới 24 kHz trong

mô hình Comsol 4.Ô - -cc c1 2111111211110 2111k 1n n kg TH TT kg cv vn 75

Hình 4.11: Kết quả tín hiệu trở kháng dầm nhôm từ 19 kHz tới 23 kHz trong

mô hình thí nghiỆm + c2 2222222222222 222101112810 115 111111111111 11 111111111 n nh ren 75

Hình 4.12: Kết quả tín hiệu trở kháng dầm nhôm từ 22 kHz tới 24 kHz mô

hình Ansys (2005) [444] SE SEEE22125212121212111212112121112221 1 rrre 76

Hình 4.13: Kết quả tin hiệu trở kháng dầm nhôm từ 22 kHz tới 24 kHz mô

Hình 4.14: Kết quả tín hiệu trở kháng dầm nhôm từ 21 kHz tới 23 kHz mô

hình thí nghiệm [4“4] + 5S E53 2E5E221 2521215121 1522211112212 rye 77

Hình 4.15: Kết quả RMSD của mô hình Comsol 4.0 trong phạm vi tần số từ 20

KHz tới 24 kHz - - - c1 S2 11111 111 11115 1 Kk nu nT kg TT TT TT TT ky chg 78

Hình 4.16: Tâm tròn với khoảng cách vết nứt giảm dan từ miếng PZT 79Hình 4.17: Mô hình thí nghiệm tâm tròn bằng nhôm ¿5 2£ cszsz£ s2 80Hình 4.18: Mô hình Comsol 4.0 tâm tròn bằng nhôm +2 2 2 xzx+zzxzz£: 80

Hình 4.19: So sánh đáp ứng trở kháng giữa mô hình, thí nghiệm và tính toán

trong phạm vi tan số từ 0.5 kHz tới 40 kHz giai đoạn không hư hỏng 82Hình 4.20: Kết qua đáp ứng trở kháng mô hình thi nghiệm từ nhóm 0 đếnnhóm 4 phạm vi tần số từ 11 KHz tới 40 kHz ¿+ + 2 k2 E£EEESEzEEEzEErsree 83Hình 4.21: Kết quả đáp ứng trở kháng mô hình Comsol 4.0 nhóm 0 và nhóm 4phạm vi tan số từ 11 KHz tới 40 KHz ¿- Sck SE E111 153111111 1EEE1E15111 E1 te 83Hình 4.22: Kết quả đáp ứng trở kháng mô hình Comsol 4.0 nhóm 0 và nhóm 3phạm vi tan số từ 11 KHz tới 40 KHz ¿- Sck SE E111 153111111 1EEE1E15111 E1 te 84Hình 4.23: Kết quả đáp ứng trở kháng mô hình Comsol 4.0 nhóm 0 và nhóm 2phạm vi tan số từ 11 KHz tới 40 KHz ¿- Sck SE E111 153111111 1EEE1E15111 E1 te 84Hình 4.24: Kết qua đáp ứng trở kháng mô hình Comsol 4.0 nhóm 0 và nhóm 1phạm vi tan số từ 11 KHz tới 40 KHz ¿- Sck SE E111 153111111 1EEE1E15111 E1 te 85Hình 4.25: So sánh kết quả RMSD giữa mô hình và thí nghiệm trong phạm vitần số từ 11 KHz tới 40 kHz -¿5-2+22122122151122111122111211212121.1 E1 xe 85Hình 4.26: Kết quả đáp ứng trở kháng mô hình Comsol 4.0 nhóm 0 và nhóm 4phạm vi tan số từ 11 KHz tới 150 kHz 5 St 31111 153111111822 15111 EEkrskd 86Hình 4.27: Kết quả đáp ứng trở kháng mô hình Comsol 4.0 nhóm 0 và nhóm 3phạm vi tan số từ 11 KHz tới 150 kHz 5 St 31111 153111111822 15111 EEkrskd 86

Hình 4.29: Kết qua đáp ứng trở khang mô hình Comsol 4.0 nhóm 0 va nhóm 1phạm vi tan số từ 11 KHz tới 150 kHz 5 St 31111 153111111822 15111 EEkrskd 87Hình 4.30: So sánh kết qua RMSD giữa mô hình va thí nghiệm trong phạm vitần số từ 11 KHz tới 150 KHZ ¿5:52:52 2212E122122111122121121121121111221 E1 cr 88Hình 4.31: So sánh kết quả RMSD giữa mô hình và thí nghiệm trong phạm vitân số từ 300 KHz tới 450 KHz - c1 S3 111111511111 1E11111111155 E111 nkrrai 88Hình 4.32: Chi tiết nối cột thép ¿2 S1 x SE 111181111111 E1111 1115111181 EEtee 91Hình 4.33: Chỉ tiết vị trí PZ/T c TT E111 121 1 151812101018 H tt ri 92Hình 4.34: Chi tiết vị trí bulông ¿- 2S 3E SE 1111111 1 1E E18 111 gi 92Hình 4.35: Đáp ứng trở kháng trong phạm vi tần số 1 kHz tới 12 kHz từ PZT 1

Hình 4.43: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulông 8

Hình 4.56: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulông 5

hư 10% ooo cc cecccccccececseecevsescessesvsucececscsvscevsusesetevecsvececevsesvenssetstevstevsntesteerestsetseeees 105

Hình 4.62: Chi số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulông 2

Hình 4.70: Chi số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulông 1

Hình 4.83: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulông 7

hư 50Ÿ% c1 1 111 1111211111 11111111111 11111111 t1 HH 1n at Hi 112

Hình 4.84: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulông 8

hư 50Ÿ% c1 1 111 1111211111 11111111111 11111111 t1 HH 1n at Hi 112

Hình 4.85: Chỉ tiết vị trí PZ/T - - - ST 1101151131551 51 11111111115 E11 eg 113Hình 4.86: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulông 1

Hình 4.93: Chi số RMSD trong phạm vi tan số 3 kHz tới 7 kHz khi bulông 8

hư 10% ooo cc cecccccccececseecevsescessesvsucececscsvscevsusesetevecsvececevsesvenssetstevstevsntesteerestsetseeees 116

Hình 4.94: Chi số RMSD trong phạm vi tan số 3 kHz tới 7 kHz khi buléng 1

Hình 4.97: Chỉ số RMSD trong phạm vi tan số 3 kHz tới 7 kHz khi bulông 4

DANH MỤC BANG BIEU

Bảng 4.1 Đặc trưng dam nhôm - ¿2S SE SE SE EEEE 1323111111 E115111 1571151 ceĐ 66

Bang 4.2 Đặc trưng PZT Š-A - c c0 0 2020111111110 eeeeeeeeeeeeeeeeeesseaseneeeeeeeeegeeaas 66

Bang 4.3 So sánh kết quả tan số có đỉnh trở khang cao của dầm 1 va dầm 2

gitta mô hình, thí nghiệm và tính toán - 2222222211121 11 1111111 se 68

Bảng 4.4 So sánh kết quả dầm 3 và dầm 4 giữa mô hình , thí nghiệm và tínhtoán tan số nơi có đỉnh trở kháng caO - - ScS 1x3 E1 1181511111112 1511151 kteg 69Bảng 4.5 Đặc trưng dầm nhôm 2S SE SE SE EEEEE2311 1511111511115 E1E5E te 72Bảng 4.6 Đặc trưng miếng PZ/T - ¿c2 s1 11v SE 5118111111111 111110111118 k1 trrg 73Bảng 4.7 Đặc trưng tâm nhôm tròn - - + s x E1 SE EEEEEEEEEEEEE S111 11tr 81Bang 4.8 Đặc trưng miếng PZT ooo ececcccecesesescscseeceseecevscscesecseesesssvevseevervevetevenen 81Bảng 4.9 So sánh tan số có đỉnh trở khang cao trong phạm vi tan số từ 0.5

kHz tới 40 kHz trong giai đoạn không hư hỏng - -ccccc‡‡‡‡c++++s+2 82

Bảng 4.10 Giá trị mômen xiết chat và lực kéo trong thân bulông 91

DANH MỤC KÍ HIỆU

Correlation coefficient.Covariance.

Center for Itelligent Materials and Structure.Frequency response function.

Fiber reinforced plastic.Mean absolute percentage deviation.MicroElectroMechanical Systems.Non-Destructive Evaluation.Lead Zirconate Titanate.Root-Mean-Square deviation.Structural Health Monitoring.Upper control limit.

Hệ số can

Điện trường.

Hang số áp điện.Sự dịch chuyền điện

Đường kính của bulông.Đường kính trung bình của vòng đệm.

Lực đặt vào bởi thiết bị truyền động

Độ cứng tĩnh định cua PZT.Độ cứng động học.

Hệ số độ cứng của lò xo.Khối lượng

Bước ren.

Biến dạng

Bán kính của ren.

Tân số cộng hưởng của kết cau.Biến dang cơ học cua PZT tại điện trường bang 0.Hang số điện dung của miếng áp điện tại ứng suất bang 0.Chuyển vị trong hướng y.

Tỷ trọng của PZT.

Hệ số mat chất điện môi.Hệ số mắt tính cơ học.Tín hiệu thu được từ PZT liên kết trên kết cấu trước và sau

hư hỏng.

Độ lệch trung bình và độ lệch tiêu chuẩn của RMSD

Gia tri trung bình của hai bộ dữ liệu từ tín hiệu dẫn nạp

Độ lệch chuẩn của tín hiệu x và V.Hệ số ma sát của ren

Hệ số ma sát bề mặt đệm

Nữa góc nghiêng của ren.

e Thay đổi tổ chức công việc bảo trì: i) nhăm thay thé kiểm tra bảo

dưỡng định kỳ theo lịch trình, giảm lao động bảo trì hiện tại; 11)

giảm thiểu sự tham gia của con người, và do đó làm giảm lao

động, cải thiện an toàn và độ tin cậy.

Cải thiện an toàn trong sử dụng là một động lực mạnh mẽ, đặc biệt là sau khimột số vụ tai nạn xảy ra, ví dụ, sup đô tháp truyền hình cao 180 m ở Nam Định

(Việt Nam 2012) ( hình 1.1) hoặc sụp đồ cột ăng ten cao 150 m ở Quảng Ninh (ViệtNam 2013) ( hình 1.2), sụp đồ của sân bay Charles de Gaulle, (Pháp 2004) ( hình1.3), sụp đồ của cầu Laval (Canada 2006) ( hình 1.4), sụp đồ của cầu Mississippi

River (Mỹ 2007) ( hình 1.5).

Hình 1.2: Sụp đồ cột ăng ten cao 150 m ở Quảng Ninh (Việt Nam 2013).

Hình 1.4: Sụp đồ của cầu Laval (Canada 2006).

Do đó, việc xác định những hư hong trong kết cau dé tiến hành gia có, sửa chữa cóý nghĩa quan trọng Đồng thời, theo dõi sức khỏe kết câu làm giảm chi phi bảo trì

kêt câu.

Mục tiêu cuối cùng của các nỗ lực theo dõi sức khỏe kết cau là sử dụng tíchhợp thiết bi cảm bién dé cung cấp cho kha năng tự theo dõi các kết câu va đưa ra

một cảnh báo khi hư hỏng xảy ra Việc cảnh báo sẽ hữu ích hơn khi hư hỏng mới

bat dau hơn là khi thiệt hại nghiêm trọng đã xảy ra và các chức năng của kết cau bị

tôn hại.

Các kỹ thuật giám sát tính toàn vẹn kết câu được dé xuất sử dụng các thayđối trong đáp ứng động học (do hư hỏng) để định lượng, xác định hư hỏng Sự khác

biệt cơ bản giữa kỹ thuật này và các phương pháp phân tích khác, kỹ thuật này dựa

trên phương thức sử dụng các tan số dé kích thích kết câu và kết hợp với cảm bién

hỏng này không gay ra bất ky sự thay đồi trong các đặc trưng độ cứng tổng thé củakết câu, nó can thiết cho việc sử dụng các bước sóng kích thích phải nhỏ hơn chiều

đài đặc trưng của những hư hỏng được phát hiện Phát hiện các hư hỏng ở mức độ

mới bat đầu, trước khi tình trạng nguyên ven tổng thé của kết câu thay đồi, là hữuích nhất vì nó có thể cung cấp cho một cảnh báo trước khi sụp đồ thực sự xảy ra Từcác kỹ thuật phân tích dựa trên phương thức tổng thể không nhạy cảm với loại hưhỏng mới bắt đâu

Kỹ thuật mô ta ở đây sử dụng các miếng nhỏ PZT (Lead Zirconate Titanate)dé đưa ra tan số kích thích cao, thường nằm trong khoảng kHz, với kết cầu đangđược theo dõi Ở tần số kích thích cao như vậy, phản ứng chú yếu là dạng cục bộ vahư hỏng mới bắt đầu như các vết nứt nhỏ và tách lớp vật liệu, đưa ra những thay đổicó thé do được trong các đặc trưng trở kháng Các tần số cao cũng hạn chế diện tíchcảm biến của thiết bị truyền động Khu vực cảm biến hạn chế này giúp cô lập cácảnh hưởng của hư hỏng trên tín hiệu trở kháng từ những thay đổi khối lượng, độcứng và điều kiện biên ở khu vực xa hư hỏng Vì vậy, kỹ thuật này sẽ hữu ích trongviệc xác định va theo dõi hư hỏng trong những khu vực kết câu mà tính toàn vẹn kếtcau can phai duoc dam bao tai moi thoi diém

Trong lĩnh vực xây dựng, liên kết bulông được sử dụng rộng rãi đặc biệttrong kết câu thép, do bulông dễ lắp ráp va tháo dỡ, dễ chế tạo, chi phí thấp Liênkết bulông ngoài khả năng liên kết các chỉ tiết kết cầu còn có khả năng chịu lực khicó ngoại lực gây ra Đối với bulông thường, bulông thô, bulông tinh do vặn êcu nênbulông chịu kéo và bản thép bị xiết chặt, giữa các mặt tiếp xúc của các bản théphình thành lực ma sát Lực ma sát này tiếp nhận một phan lực trượt do tải ngoài gâyra Trong liên kết bulông cường độ cao lực ma sát giữa các bản thép hoàn toản tiếp

nhận lực trượt do ngoại lực gây ra Do đó khi êcu bị lỏng làm lực ma sát giữa các

bản thép giảm đi, dẫn đến khả năng chịu lực của liên kết giảm đi, có thể làm hưhỏng hoặc sụp đồ công trình Do đó, việc tìm ra hư hỏng của liên kết bulông có ý

1.2 MỤC TIỂU NGHIÊN CUUSử dụng pham mềm Comsol 4.0 mô phỏng các thí nghiệm được tiễn hànhtrên các mẫu dầm nhôm trong giai đoạn không hư hỏng và có hư hỏng, so sánh tín

hiệu trở kháng của mô phỏng và thí nghiệm, chứng minh khả năng mô phỏng tìm

hư hỏng trong kết câu

So sánh kết quả trở kháng mô phỏng và thực nghiệm các tam tròn mỏngbăng nhôm với tam PZT đặt tại tâm tam và hư hỏng có khoảng cách thay đổi so vớitâm tâm tại tần số kích thích cao

Phân tích mô hình phan tử hữu han sử dụng trở kháng để theo dõi và đánhgiá hư hỏng liên kết bulông Hư hỏng của liên kết bulông được giả định bằng việcthay đối lực kéo trong thân bulông ở ba cấp độ: 10%, 25%, 50%

Sử dụng mô hình phần tử hữu hạn đề tìm những thay đồi tín hiệu trở khángtrước và sau khi có hư hỏng trong liên kết bulông Từ những thay đổi đó đánh giámức độ hư hỏng trong liên kết bulông

1.3 PHAM VI NGHIÊN CUUChứng minh khả năng của mô hình bang phần mềm Comsol 4.0 trong việctìm hư hỏng của kết câu băng cách so sánh kết quả của mô hình với kết quả các thí

nghiệm.

So sánh chỉ số hư hỏng của mô phỏng và kết quả thực nghiệm.Sử dụng phan mềm Comsol 4.0 dé mô hình liên kết bulông Trong đó, sửdụng tín hiệu trở kháng để theo dõi và đánh giá hư hỏng trong liên kết bulông

Thiết lập mối quan hệ giữa sự thay đồi tín hiệu trở kháng và mức độ hư hỏngtrong liên kết bulông

Trong luận văn này, thực hiện mô phỏng các kết câu đơn giản để lay tín hiệutrở kháng của mô hình và so sánh kết quả của mô hình và thực nghiệm Ngoài ra,còn thực hiện mô phỏng liên kết bulông trong kết cấu thép tìm liên hệ giữa mômenxiết chặt bulông va lực kéo trong bulông Từ đó, thay đổi lực kéo trong bulông đểtìm những tín hiệu trở kháng trong các giai đoạn khác nhau và tìm mối liên hệ giữamức độ hư hỏng trong liên kết bulông và tín hiệu trở kháng thu được.

Cau trục luận văn gồm 5 chương: Chương | giới thiệu mục tiêu của luận vănvà câu trúc luận văn; Chương 2 giới thiệu một số nghiên cứu trong va ngoải nước;Chương 3 cơ sở lý thuyết của phương pháp trở kháng sử dụng dé tim hư hỏng trongkết câu; Chương 4 một số ví dụ dé khang định hiệu quả của phương pháp đã trìnhbay; Chương 5 nêu lên các nhận xét, kết luận, kiến nghị và hướng phát triển của dé

tài Phân cuôi là các tài liệu tham khảo sử dụng trong luận văn.

TONG QUAN VE CÁC NGHIÊN

CUU TRUOC DAY

2.1 GIOI THIEUTheo dõi sức khỏe cau trúc (SHM: Structural Health Monitoring) nham mụcdich cung cấp moi thông tin về sức khỏe kết cau trong thời gian tôn tại của nó, chanđoán "tình trang" của các thành phần vật liệu, các bộ phận câu thành kết câu nóichung Trạng thái của kết cầu phải được duy trì theo quy định thiết kế, mặc dù điềunày có thể được thay đổi bởi quá trình lão hóa do sử dung, do tác động của môitrường Nhờ có thời gian theo dõi phương pháp này có thể cung cấp các cơ sở dữliệu đầy đủ về sức khỏe kết cấu, và với sự giúp đỡ của việc giám sát sức khỏe kếtcau trong quá trình sử dụng, nó cũng có thé cung cấp một tiên lượng (sự phát triểncủa hư hỏng, thời gian sử dụng còn lại của kết câu, )

Nếu chúng ta chỉ xem xét chức năng đầu tiên, chân đoán, chúng ta có thể ướctính rằng theo dõi sức khỏe kết câu là một cách mới và cải tiễn để tạo ra một cáchđánh giá không pha hủy (NDE: Non-Destructive Evaluation) Nó liên quan đến việc

tích hợp các cảm biến, vật liệu thông minh, truyền dt liệu, khả năng tính toán, va

khả năng xử lý dữ liệu thu được trên các kết cấu.Một hệ thống SHM dién hình được đưa ra một cách chi tiết, các chức nănggiam sát tính toàn ven trong kết câu, có thé được xác định bởi:

e Cac hiện tượng vật lý, liên quan chặt chẽ đến những hư hỏng, được

giám sát bởi các cảm biên.

e _ Hiện tượng vật lý được sử dụng bởi các bộ cam biến để đưa ra một tínhiệu (thường là điện) gửi và lưu trữ trong một hệ thống phụ

được liên kết trên kết cấu, đã được mở rộng nghiên cứu và áp dụng để tìm ra hưhỏng trong kết cấu.

Cảm bién (sensor) được phát triển gần đây kết hợp chặt chẽ với sự phát triểncủa vật liệu áp điện (piezoelectric material : hoạt động băng cách trực tiếp gây ranhững thay đổi điện tích khi được tác dụng ứng suất cơ học Ngược lại, biến dạngcơ học được gây ra khi có một điện trường đặt vào) Hiệu ứng áp điện trực tiếpthường được sử dụng trong các cảm biến như một dụng cụ đo gia tốc áp điện Vớihiệu ứng ngược, vật liệu áp điện gây ra biến dạng cục bộ và trực tiếp ảnh hưởng đếnphản ứng động lực học của các phan tử kết câu khi được găn vào hoặc đán lên bêmặt kết cấu Vật liệu áp điện đã được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng động lựchọc kết câu bởi vì chúng có trọng lượng nhẹ, thiết thực, không tốn kém, và có nhiềuhình dạng khác nhau từ các miếng mỏng hình chữ nhật tới các hình dạng phức tạpđược sử dụng trong sản xuất Các ứng dụng của vật liệu áp điện trong động lực họckết câu có nhiều dé cập đến và trình bày chi tiết trong nghiên cứu (Niezrecki và các

cộng sự [1]; Chopra [2]).

Kỹ thuật dựa vào trở kháng dé tim hu hỏng trong kết câu đã được phat triểnnhư một công cụ day hứa hẹn để đánh giá hư hỏng kết cau, và được coi là phương

pháp mới đánh giá không phá hủy NDE Một khía cạnh quan trọng của việc theo dõi

hư hỏng của kết cấu dựa trên trở kháng là việc sử dụng vật liệu áp điện (LeadZirconate Titanate: PZT) như một bộ cảm biến và thiết bị truyền động Nén tangcông nghệ cảm biến này hoạt động là việc bién đổi năng lượng giữa các thiết bịtruyền động và hệ thống cơ học chính của nó Nó cho thấy răng trở kháng điện củavật liệu PZT có liên quan trực tiếp đến trở kháng cơ của kết câu chủ nơi các miếngPZT được dán Băng cách sử dụng các vật liệu tương tự cho cả truyền động và cảmbiến không chỉ làm giảm SỐ lượng các bộ cảm biến và thiết bi truyền động, mà cònlàm giảm hệ thống dây điện và phần cứng liên quan Hơn nữa, kích thước và trọng

lượng của các miếng PZT là không đáng kể so với các kết câu chủ nên không ảnhhưởng đến đặc trưng động lực học của kết cầu [3].

2.2 TONG QUAN TINH HINH NGHIEN CUU PHUONG PHAP TROKHANG NGOAI NUOC

Phương pháp trở kháng đã được áp dụng cho một loạt các nghiên cứu kể từkhi đưa ra đầu tiên vào năm 1994 Người phát triển lý thuyết áp dụng việc đo trởkháng để tìm ra hư hỏng của kết câu là Liang và các cộng (1994) [4] sử dụng tần sốkích thích cao loại lớn hơn 30 kHz thông qua bề mặt liên kết tam PZT dé tìm ranhững thay đối cơ học trong trở kháng cơ học của kết câu Miếng PZT yêu cầu mứcđộ điện áp thấp dé gây ra tần số kích thích có ích trong kết câu chủ

Sun và các cộng sự (1995) [5] đã tiễn hành thực hiện các phép do thử nghiệmthông qua cảm biến áp điện trở kháng Sun và các cộng sự (1995) đã sử dụngphương pháp trở kháng dé kiểm tra kết câu giàn (hình 2.1) bang cách sử dụng mộtthuật toán thống kê để đánh giá tình trạng hư hỏng Ngoài ra Sun và các cộng sự(1995) nghiên cứu ảnh hưởng của phạm vi tần số khác nhau và mức độ kích thích

Hình 2.1: Sun và các cộng sự (1995) [5] sử dụng phương pháp trở kháng dé kiểm

tra kêt câu giàn.

Chaudhry va các cộng sự (1995) [6] sử dung phương pháp trở kháng dé tìmhư hỏng của kết câu trên một chiếc máy bay Piper Model 601P Hư hỏng trongnghiên cứu nay đã đưa ra cả vị trí và khoảng cách từ các cảm biến Hai loại hu hỏngliên kết đã đưa ra trong kết câu: vị trí và khoảng cách hư hỏng Hư hỏng tại vị trícục bộ liên quan đến sự thay đổi trong khung chính, trong khi hư hỏng xa PZT đềcập đến thay đồi khác trong kết câu Các cảm biến trở khang cho thấy cực kỳ nhạy

cảm với mức độ hu hỏng cục bộ (hình 2.2), và chứng minh không nhạy cảm với

những thay đổi ở phạm vi xa cảm bién PZT

NoD e

c ~~* L/S turn on local bols

©to a

Real Admittance (micro-Siemens) Frequency (kHz)

-Hình 2.2: Theo dõi hai khung chính kết nối với than máy bay phía sau đến đuôiđứng của máy bay Piper Model 601P [6] Sự thay đổi trong dan nạp thực tế do nới

lỏng các bulông dễ dàng được phát hiện

Lalande và các cộng sự (1996) [7| sử dụng phương pháp trở kháng nghiên

cứu thành công sự chịu mài mòn và giảm khả năng chịu uốn của răng trong độ

chính xác bánh răng Trong cả hai trường hợp, hư hỏng đã được phát hiện thành

công bởi các cảm bién trở kháng

Wang và các cộng sự (1996) [8, 9] mở rộng nghiên cứu cua Liang và các

cộng sự (1994) cho sử dụng nhiều bộ kích thích PZT được đán lên kết câu cả haimặt và chứng thực khả năng cảm biến và kích thích của chúng, dựa vào việc theo

dõi sự dẫn nạp điện trên trở kháng kết câu, Ho chứng minh rang nó có khả năng tìmra ứng xử của kết câu thông qua việc đo trở kháng điện của PZT.

Esteban (1996) [3] mở rộng mô hình sé dựa vào lý thuyết truyền sóng dé xácđịnh phạm vi cảm biến của phương pháp trở kháng Trong nghiên cứu của Estebanbao gồm nghiên cứu tham số trên khu vực cảm biến của một bộ cảm biến PZT /thiết bị truyền động bởi xem xét những thay đổi của những hệ số và hình học như làảnh hưởng của tải khối lượng, sự không liên tục trong mặt cắt ngang, liên kếtbulông, năng lượng xuyên qua lớp liên kết (energy absorbent interlayers) Do chínhxác tại phạm vi tần số cao và xác định năng lượng tiêu hao trở nên khó khăn và ítthông tin được thu thêm Nhìn chung, phạm vi cảm biến của trở kháng có quan hệgân đặc trưng vật liệu của kết câu chủ, hình học, phạm vi tần số được sử dụng vàđặc trưng vật liệu của PZT Dựa trên những kiến thức thu được thông qua nghiêncứu các trường hợp khác nhau, người ta đã ước tính rằng các khu vực cảm biến củamột PZT có thé thay đối từ 0,4 m (bán kính cảm biến) trên kết câu composite đến 2m trên thanh kim loại đơn giản Tần số dao động cao hơn 500 kHz cho thấy khôngcó lợi, bởi vì các khu vực cảm biến trở nên vô cùng nhỏ và các cảm biến PZT hiểnthị nhạy cảm với các điều kiện bat lợi liên kết hoặc chính ban thân PZT chứ khôngphải là ứng xử của kết câu được theo dõi

Krishnamurthy và các cộng sự (1996) [10] đã phát triển một kỹ thuật hiệuchỉnh dựa trên phần mềm, trong đó loại bỏ những ảnh hưởng của nhiệt độ trên PZTtrong khi không loại bỏ sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến kết cấu Tuy nhiên, phươngpháp nay đòi hỏi phải đo trước nhiệt độ để có được hệ số nhiệt độ của PZT, mà nótrở nên quan trọng trong một số trường hợp

Wang và các cộng sự (1997) [11] thể hiện một mô hình toán học diễn tả sựtương thích của biến dạng giữa miếng PZT và một dầm hoặc tam Quan hệ giữađiện dung tĩnh cua PZT và biến dạng của kết câu được thiết lập và bién dang của kétcâu được nhận thay từ những thay đổi điện dung của PZT

Raju và các cộng sự (1998) [12] mở rộng nghiên cứu cho thấy ảnh hưởngcủa tham số trở kháng như mức độ kích thích của bộ kích thích, kiểm tra chiều daidây dẫn, sử dụng một dây duy nhất để gắn vào nhiều bộ cảm biến, và thay đổi điềukiện biên Raju đã kết luận răng sự thay đổi trong nhiều tham số không ảnh hưởngđáng kể đến tín hiệu trở kháng.

Giurgiutiu và các cộng sự (1999) [13] tìm hư hỏng trong mối hàn của kếtcâu Tín hiệu trở kháng được thu lại tới phạm vi tần số 1100 kHz Sự bắt đầu và sựtruyền hư hỏng thì tương quan tới việc đo trở kháng Thông qua việc đo trở khángnhiều điểm, độ nhảy cảm tới vết nứt bé, vị trí hư hỏng, loại bỏ những đặc trưng thayđổi ở phạm vi xa đã được theo dõi

Park và các cộng sự (1999) [14, 15] ứng dụng theo dõi kết câu băng phươngpháp trở kháng như một phương tiện phát hiện hư hỏng cho các kết câu có nhiệt độcao Tác giả đã thử nghiệm một liên kết bulông trong một phạm vi nhiệt độ 482-593°C sử dụng cảm biến áp điện nhiệt độ cao Các phép đo trở kháng thay đồi nhiềuhơn ở nhiệt độ cao hơn Tuy nhiên, những thay đổi này là nhỏ so với những thay đổigây ra bởi hư hỏng, được gây ra bang cách nới lỏng các bulông Mặc dù cuộcnghiên cứu cho thay theo dõi kết cấu bang phương pháp trở kháng là để phát hiệnhư hỏng cho các kết câu ở nhiệt độ cao, độ tin cậy lâu dài của liên kết giữa các PZTvà kết câu chủ đưới nhiệt độ đã không được kiểm tra đây đủ

Soh và các cộng sự (2000) [16] sử dụng phương pháp trở kháng cho việc

theo dõi một mẫu cầu bêtông cốt thép Nghiên cứu bao gồm hai dầm dọc (5 x 0, 25x 1 m) đỡ một san day 0,1 m và tạo thành kết câu bê tông cốt thép gia cường băngcác thanh thép, đã phải chịu ba chu kỳ tải dé gây ra vết nứt trong kết câu Tín hiệucủa các cảm biến trở kháng nằm trong vùng lân cận của hư hỏng đã cho thay thayđối lớn về tín hiệu, trong khi những hư hỏng ở xa là ít bị ảnh hưởng Nêu có bat kỳhư hỏng của chính miếng PZT hoặc lớp liên kết, tín hiệu có thé cho thây một sựthay đổi đột ngột hoặc xu hướng không ổn định mà không có đỉnh khác biệt trongđáp ứng tan sé

Mô hình cầu bao gồm thép góc, thép chữ C, thép tam, và được liên kết vớinhau hơn 200 bulông, như thé hiện trong (hình 2.3) Kích thước của kết câu này làcao 1,8 m và nặng hơn 250 kg Kết cầu đã được Park va các cộng sự (2000) [17]nghiên cứu, dưới các điều kiện môi trường không kiểm soát được, thay đồi tải khối

lượng (mass loading), nhiệt độ (temperature), và hoạt động dao động (operational

vibration) Khả năng của phương pháp trở kháng dé phát hiện và phân biệt hu hỏngmới bắt đầu từ những thay đối đã được chứng minh

DvariationsEiDamagqe 1E25a¬sge 2El2amage 2

Hình 2.3: Một mô hình 1⁄4 mặt cắt cầu thép (steel bridge section) [17] Các sốliệu cho thay ảnh hưởng cục bộ của phương pháp trở kháng

Một kết câu đường ông dẫn đã được nghiên cứu bởi Park và các cộng sự(2001) [18], như thể hiện trong (hình 2.4) Mục tiêu của nghiên cứu này là sử dụng

các phương pháp trở kháng trong việc xác định hư hỏng trong khu vực giám sát,

chăng hạn như trong một phân tích sau trận động đất Thời gian can thiết dé cónhững phép đo trở kháng trong thời gian ít hơn 5 phút từ hơn 20 cảm biến trở khángvà dé xây dựng các biểu đồ số liệu hư hỏng Đánh giá nhanh này cho thay tính kha

thi của kỹ thuật này.

—— Undamages— 2 Bolts sosered

5 e‡ ss s8 8:16 = 36.5

Frequency (ktm)t8

Frequency (bri) Frequency [kre

Hình 2.4: Thí nghiệm đường ống dẫn [18] Sự thay đồi trở kháng trở nên rõ rệt hơn

khi gia tăng mức độ hư hỏng.

Pohl và các cộng sự (2001) [19] đã nghiên cứu kha năng của phương pháp

trở kháng để phát hiện hư hỏng sợi nhựa gia cường vật liệu composite (FRP: fiberreinforced plastic) và hư hỏng trong tam FRP (hình 2.5)

hong trén bé mat dam va su kich thich bién dang của bộ biến đổi PZT Kết quả thựcnghiệm và mô phỏng cho thay những phản ứng trở kháng thường nhạy cảm với cáctác động lực trượt của lớp liên kết, gây ra sự thay đổi theo chiều dọc va ngang củaphép đo trở kháng Tác giả dé nghị sử dụng chat bám đính cao dé đạt được tín hiệutrở kháng ổn định nhất.

Bhalla và các cộng sự (2002) [22] nghiên cứu các van dé liên quan đến ứngdụng thực tế của phương pháp trở kháng Theo dõi dài hạn tín hiệu trở kháng hơnhai tháng Nghiên cứu của họ cũng bao gồm bảo vệ bộ chuyển đổi PZT với môitrường 4m ướt sử dụng một lớp “silica gel”, ghép một dãy PZT để tối ưu hóa thờigian theo dõi cảm biến, và có thé sử dụng chat kết dính cao dé dán PZT

Bhalla và các cộng sự (2002) [23] cũng nghiên cứu kha năng giám sát cườngđộ bêtông trong quá trình bảo dưỡng của nó Độ cứng của bêtông cũng liên quan

với các thay đồi trong đỉnh trở kháng, như thể hiện trong hình 2.6

PZT patch Wire 0.0012

Day HDay 7Day 5

140

mà, trong khi cam biến không được liên kết tốt cho thay cộng hưởng lớn trong phanảo của phép đo trở kháng Do đó, người ta có thể xác định nếu bộ cảm biến đượcliên kết hoàn toàn với một kết câu hay không băng cách tìm phần ảo, mặc dù đánhgiá định lượng hoặc ước lượng độ cứng liên kết vẫn không phải là một công việc

đơn giản.

Xu và Liu (2002) [26] nghiên cứu ảnh hưởng của lớp liên kết trong tương tácđộng học giữa tâm PZT và kết cầu chính Nghiên cứu này cho thay răng ảnh hưởngcủa điều kiện liên kết là đáng chú ý, trong đó ảnh hưởng lớn tới đánh giá tần sốcộng hưởng của hệ thong Tác giả cho răng nó cần thiết dé xem xét ảnh hưởng củaliên kết để đạt được nhiều kết quả chính xác Mặt dù nó khó đo được độ cứng củalớp liên kết (giữa tam PZT và kết câu chủ)

Bois và Hochard (2002) [27] thực hiện thí nghiệm và mô hình trong việc sử

dụng phương pháp trở kháng dé tìm ra phân lớp của kết câu composite Họ chứng

minh khả năng xác định kích thước và vi trí của phân lớp dựa vào quy luật cơ bảntrở kháng cơ điện 3D của vật liệu PZT (hình 2.7).

5 plies

Ỷ 4

TẢ — |I !

11 plies c2mm le — |

180 mm nt

Hình 2.7: Nghiên cứu phan lớp kết câu composite [27].a) Phân lớp ở một dau của dam b) Phân lớp năm bên trong dam.Tseng va Naidu (2002a) [28] đã nghiên cứu các mẫu nhôm bằng phươngpháp trở kháng Kết quả thực nghiệm cho thấy tín hiệu trở kháng có thể đạt được

đến phạm vi tan số 150 kHz Nghiên cứu cũng quan sat phạm vi cảm biến tươngđối lớn của cảm biến trở kháng Vi dụ, 16 5 mm được phát hiện từ các cảm biến

lớn hơn | m từ vi trí hư hỏng.

Tseng và các cộng sự (2002b) [29] cũng trình bày các nghiên cứu, trong

đó bề mặt cảm biến trở kháng có thé được sử dung để giám sát hai loại hu hong,lỗ rỗng và vết nứt, trong kết câu bêtông Phần mềm thương mại, ANSYS, đãđược sử dụng để mô hình một mẫu bêtông hình vuông và trở kháng cơ học củakết câu Trở kháng điện của PZT đã thu được tại mỗi tan sé

2.3 TONG QUAN NGHIÊN CUU HU HỎNG LIEN KET BULONGLiên kết bulông được sử dung rộng rãi trong liên kết kết cầu ngày nay Nhiéukết câu sử dụng số lượng lớn lên kết bulông để liên kết do nó bảo đảm an toàn vàđáng tin cậy trong quá trình sử dụng Bởi vì, liên kết bulông được sử dụng phố biếnnên liên kết bulông cũng thường là đề tài nghiên cứu trong khoa học Nhiều nghiêncứu được tiễn hành để duy trì và điều chỉnh lực đặt vào liên kết bulông Gaul (1997)[30] đã đưa ra bán chủ động liên kết (semi-active joint) bởi sử dụng thiết bị truyền

động (actuator) áp điện Thiết bị truyền động đã được sử dụng dé điều khiển lực đặt

trong liên kết bulông cũng như ngăn cản dao động trong kết câu dựa vào việc điềuchỉnh ma sát Gần đây, Stock Material Testing and Inspection đã thực hiện mộtnghiên cứu trong việc tìm ra hư hỏng Họ đã nghiên cứu và cho thây rằng 77% tấtcả những hư hỏng là nguyên nhân làm giảm khả năng chịu lực của kết câu, làm kếtcau dé bị ăn mòn [31]

Có thể xác định hư hỏng của liên kết bulông (bulông bị nới lỏng) dựa vàocảm biến để tim ra hư hỏng trong kết câu Ngày nay phương pháp trở kháng đãđược sử dung dé tìm ra những hư hỏng trong kết cấu Cho thấy sự thuận lợi củaphương pháp trở kháng cũng như lý thuyết về vật liệu áp điện dựa vào cảm biến

Sự phô biên của liên kêt bulông trong kêt câu nên có nhiêu nghiên cứu tìm

hư hỏng của liên kết bulông Nichols và các cộng sự (2003, 2004) [32, 33] sử dụng

phương pháp ích thích hỗn loạn và pha không gian (phase space) dé đánh giá tìnhtrạng của liên kết bulông trong dầm composite.

Hơn nữa, phương pháp trở kháng cũng được sử dung dé nghiên cứu liên kếtbulông trong kết câu đường ống Park và các cộng sự (2001) [18] Yang va các cộngsự (2003) [34] sử dụng sự truyền sóng (lamb wave propagation) dé nghiên cứu sựnới lỏng của liên kết bulông Sự suy giảm của làn sóng thì được xem như thê hiệnsố lượng cản hiện tại trong liên kết cũng như tình trạng hiện tại của liên kết

Park và các cộng sự (2003) [35] sử dụng cảm biến trở kháng để tìm và sửachữa sự nới lỏng của liên kết bulông trong kết cầu Cảm biến áp điện (piezoelectricsensor) được sử dụng để đo trở kháng của kết câu Sự nới lỏng của bulông đã được

xác định giữa bulông và dai ôc.

Okugawa (2004) [36] đã đưa ra một phương pháp mới dé tìm sự nới long củaliên kết bulông bởi thông qua một vòng điệm thông minh (smart washer) kết hợpvới một thuật toán Những thay đồi trong tần số cộng hưởng của vòng đệm được sửdụng thì tương quan với lực đặc trước trong liên kết

Phương pháp trở kháng này chỉ tìm những thay đổi tín hiệu trở kháng trongmột giới hạn cảm bién Cho nên, phương pháp nay không thích hợp cho nghiên cứuhư hỏng trong phạm vi rộng Gan đây, đo cảm biến chủ động áp điện (piezoelectricactive sensing measurements) đòi hỏi hệ thống thu dữ liệu lớn và đắt tiền hoặc máyphân tích trở kháng Do trở kháng trong giai đoạn trước va sau hư hỏng dé xác định

vị trí của hư hỏng hoặc mức độ hư hỏng.

2.4 TONG QUAN TINH HÌNH NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TROKHÁNG TRONG NƯỚC

Hiện nay ở Việt Nam chưa có dé tài nghiên cứu hư hỏng sử dụng phương

pháp trở kháng.

2.5 SỰ THUẬN LỢI CỦA PHƯƠNG PHÁP TRỞ KHÁNGKỹ thuật này không dựa trên mô hình và do đó có thể dễ dàng được áp dụngcho các kết câu phức tạp.

Kỹ thuật này sử dụng thiết bị truyền động kích thước nhỏ, vì vậy các phầnkhông thê tiếp cận từ trước đến nay có thê được theo dõi

Kỹ thuật nay không bị ảnh hưởng bởi những thay đổi trong điều kiện biên,tải trọng kết cau, hoặc rung động trong kết câu do các nguồn khác gây ra

Kỹ thuật nay có thé được dùng trong các ứng dụng theo dõi sức khỏe kết câu.Giam sát liên tục cung cấp một đánh giá tốt hơn về tình trạng hiện tại củakết câu và giúp loại bỏ quá tình kiểm tra kết cấu theo lịch trình

Trọng lượng tăng thêm của bộ cảm biến / thiết bị truyền động dán trên kếtcau là không đáng kể

2.6 HAN CHE VA THACH THUC HIEN TẠI CUA PHƯƠNG PHAP TROKHANG

Mặc dù phương pháp trở kháng có nhiều uu điểm, nhưng phương pháp naycó một số rào cản cần phải vượt qua trước khi nó phù hợp cho sử dụng rộng rãi nhưmột giải pháp theo dõi sức khỏe kết cấu

Đầu tiên, các thiết bị được sử dụng để đo trở kháng có xu hướng công kênh,tốn kém và không phù hợp cho việc triển khai trong điều kiện môi trường điển hình.Ví dụ, máy phân tích trở kháng thông thường HP 4294A có chi phí $ 41,000, có

kích thước 42.5cm x 22cm x 50cm, và nặng 25 kg Ngoài ra, nó không được tạo ra

để được sử dụng bên ngoài phòng thí nghiệm, và nó không có kết hợp với cảm biếnkhông dây (wireless sensor node) Một vài nhà nghiên cứu đã giải quyết van dé này

Peairs và các cộng sự (2004) [37] đề xuat sử dụng một máy phân tích phổthông thường (conventional spectrum analyzer) kết hợp với một máy phát tín hiệu(signal generator) va do dòng điện trong một mach dé tạo nên một máy phân tích trở